某重型卡車駕駛室前懸連接支架輕量化設(shè)計(jì)

茍煒偉 馬玉金 郭延威 張磊 楊路

摘 要：駕駛室前懸連接支架是連接駕駛室與駕駛室懸置的重要部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度關(guān)乎車輛運(yùn)行及翻轉(zhuǎn)過(guò)程的安全問(wèn)題。文章利用有限元分析軟件Hyperworks對(duì)某重型卡車駕駛室前懸連接支架進(jìn)行了多工況分析，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求；同時(shí)采用拓?fù)鋬?yōu)化方法，以重量最輕為目標(biāo)函數(shù)，以結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度性能為約束條件，進(jìn)行了優(yōu)化迭代計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：重型卡車；駕駛室前懸；有限元分析；輕量化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U471.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-7988（2018）17-16-03

Abstract： The front suspension bracket of the cab is an important part to support the balance of the cab， its structural strength is related to the safety of vehicle running number and turning process. In this paper， finite element analysis software Hypermesh is used to analyse the cab front suspension bracket of a heavy truck； at the same time， topological optimization method is adopted， and the lightest weight is the objective function， and the static strength performance of the structure is the constraint condition， the light weight of the structure can satisfy the structural strength at the same time.

Keywords： heavy truck； bridge front suspension； finite element analysis； lightweight design

CLC NO.： U471.1 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-16-03

1 引言

隨著重卡行業(yè)的不斷發(fā)展，用戶對(duì)車輛載貨量、油耗性能越來(lái)越重視，對(duì)車輛輕量化提出了更高的要求，零部件輕量化水平日益成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容和衡量指標(biāo)。

本文以某重型卡車駕駛室前懸左右連接支架為對(duì)象，利用有限元分析軟件Hyperworks對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了多工況分析；依據(jù)分析結(jié)果對(duì)該零件進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，在保證零件強(qiáng)度要求的前提下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)造型及材料分布，達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

2 有限元模型建立

2.1 幾何模型

左右連接支架作為重型卡車駕駛室前懸與駕駛室連接的關(guān)鍵部件，對(duì)駕駛室動(dòng)靜態(tài)支撐、平衡及運(yùn)行、翻轉(zhuǎn)有重要的作用。圖1、圖2分別為某重型卡車駕駛室前懸左右連接支架結(jié)構(gòu)，圖3為該連接支架與駕駛室的連接形式，其通過(guò)螺栓與駕駛室地板及前圍連接。

左右連接支架材質(zhì)均為ZG270-500，左連接支架設(shè)計(jì)重量為8.67kg，右連接支架的設(shè)計(jì)重量為10.00kg。

2.2 有限元模型的建立

利用Hypermesh軟件對(duì)駕駛室前懸左右連接支架建立有限元模型。綜合考慮計(jì)算精度及計(jì)算規(guī)模，需對(duì)連接支架進(jìn)行前處理，將部分局部特征、影響結(jié)構(gòu)剛度較小的細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，如清除小圓角、倒角等特征。

1--駕駛室地板 2--駕駛室前懸連接支架（左、右件） 3--駕駛室前懸

該駕駛室前懸左右連接支架為實(shí)體結(jié)構(gòu)，采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。利用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到如圖4所示左右連接支架有限元模型。其中左連接支架共49609個(gè)單元、13151個(gè)節(jié)點(diǎn)，右連接支架共57993個(gè)單元、15238個(gè)節(jié)點(diǎn)。

支架材料為ZG270-500，其屈服強(qiáng)度為270MPa，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。

3 有限元分析

考慮駕駛室實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)及載荷情況，對(duì)駕駛室前懸及周邊連接件進(jìn)行各工況下有限元分析計(jì)算。

1）各分析工況見(jiàn)表1。

2）本文所述的某重型卡車駕駛室相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

在Hypermesh軟件中按上述工況添加各向計(jì)算載荷及駕駛室參數(shù)，進(jìn)行各工況下的駕駛室前懸左右連接支架受力分析及安全因子計(jì)算，如圖5所示。

利用OptiStruct求解器進(jìn)行有限元求解，得到前懸左、右連接支架的應(yīng)力云圖，如圖6、圖7所示。

表3給出了各設(shè)計(jì)工況下駕駛室前懸左、右支架的安全因子值。

經(jīng)各設(shè)計(jì)工況、載荷下有限元分析，可以得知：各工況下前懸連接支架的最大應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度，安全因子均大于1，該結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

4 輕量化設(shè)計(jì)

經(jīng)上述分析，各工況下前懸連接支架具有較高的安全系數(shù)，結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度儲(chǔ)備充足。因此，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以減輕重量，以下采用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)該支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

4.1 數(shù)學(xué)模型

考慮以重量最輕為目標(biāo)函數(shù)，以各設(shè)計(jì)工況下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力不大于270MPa為約束條件，建立帶約束的單目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型，如式（1）所示。

上式中，x表示設(shè)計(jì)變量，m（x）表示重量，σmax（x）表示各設(shè)計(jì)工況下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力。

4.2 拓?fù)鋬?yōu)化

考慮不改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的裝配關(guān)系，同時(shí)不與周邊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉，以初始設(shè)計(jì)作為基結(jié)構(gòu)，尋求在初始設(shè)計(jì)上去除材料，以減輕重量。其中基結(jié)構(gòu)即為拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)變量，如圖8所示。

基于前述數(shù)學(xué)模型的定義，采用拓?fù)鋬?yōu)化算法進(jìn)行迭代計(jì)算。

經(jīng)多輪迭代計(jì)算后，得到圖9所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4.3 輕量化結(jié)構(gòu)

基于上述拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，對(duì)基結(jié)構(gòu)進(jìn)行去材料設(shè)計(jì)，綜合考慮實(shí)際工程制造需求，得到圖10的左右支架輕量化結(jié)構(gòu)。

4.4 輕量化前后對(duì)比

表4列舉了駕駛室前懸連接支架輕量化前后的重量及變化。

將輕量化結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，并在前述設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，得到輕量化后支架結(jié)構(gòu)的安全因子，見(jiàn)表5。

4.5 輕量化評(píng)估

通過(guò)上述計(jì)算分析結(jié)果可以看出，在受到相同載荷和約束的條件下，輕量化后的駕駛室前懸左右連接支架在各設(shè)計(jì)工況下的安全因子均大于1，且各工況下最小安全因子由1.33提升至2.32，零件降重28.1%和23.9%，達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文通過(guò)建立某重卡車型駕駛室前懸左右連接支架有限元模型，借助Hyperworks進(jìn)行了多工況靜力學(xué)分析和拓?fù)鋬?yōu)化。在結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)降重20%以上，達(dá)到了零部件輕量化設(shè)計(jì)目的。本文的分析過(guò)程及結(jié)果為支架類零部件輕量化提供了設(shè)計(jì)思路，對(duì)輕量化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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